A game-theoretical approach for analyzing effects of combined control on freeway traffic: Case of integrated ramp metering and variable speed limiting
Oyun teorisi yaklaşımı ile bütünleşik kontrolün otoyol trafiği üzerindeki etkisinin incelenmesi: Bütünleşik katılım denetimi ve değişken hız kısıtı örneği
- Tez No: 915381
- Danışmanlar: PROF. DR. HİLMİ BERK ÇELİKOĞLU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Trafik, Ulaşım, İnşaat Mühendisliği, Traffic, Transportation, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Ulaştırma Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 121
Özet
Otoyollar, yüksek ulaşım taleplerini yüksek hizmet seviyelerinde karşılamak amacıyla tasarlanmıştır. Yolların Kapasitesi El Kitabı (Highway Capacity Manual- HCM)'na göre otoyollar, tam erişim kontrollü ve her yönde en az iki şeride sahip bölünmüş yollardır. Otoyollar, hizmet ömürleri boyunca tekrarlı ve/veya tekrarlı olmayan sıkışıklık durumlarıyla karşı karşıya kalır. Tekrarlı sıkışıklıklar, adından da anlaşılacağı gibi, düzenli olarak meydana gelir ve sebepleri öngörülebilir. Tekrarlı olmayan sıkışıklıklar ise birbirini tekrarlayan biçimde aynı yerde ve zamanda oluşmazlar ve nedenleri de öngörülemez. Yolda meydana gelen bir kaza sonucu şeritlerin kullanılamaması tekrarlı olmayan sıkışıklığa örnek olarak verilebilir. Tekrarlı sıkışıklığa ise zirve saatlerdeki talep artışı sonucunda oluşan trafik sıkışıklığı örnek olarak gösterilebilir. Otoyolların kent içinden geçen kısımlarında genellikle en fazla kamulaştırma genişliğine ulaşılmıştır. Bu nedenle, birçok noktada yol kapasitesinin fiziksel olarak arttırılması mümkün olamamaktadır. Ayrıca, yolun fiziksel kapasitesinin arttırılması, kendi talebini zaman içerisinde oluşturduğundan dolayı, ancak kısa vadeli bir çözüm olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu durum, talep artışı nedeniyle yolun hizmet seviyesinin tekrar düşmesine yol açar. Bu bağlamda, günümüz ulaştırma ve trafik mühendisliği yaklaşımları, kapasite artışını yeni yatırımlar üzerinden sağlamaktansa, akıllı ulaştırma sistemleri (AUS), trafik yönetimi ve trafik denetimi yaklaşımlarını benimseyerek, mevcut kapasitenin daha verimli ve etkin kullanılmasını hedeflemektedir. Özellikle, AUS çatısı altında, otoyollardaki trafik sıkışıklığına karşı çeşitli denetim yöntemleri geliştirilmiştir. Bu yöntemler arasında katılım denetimi (KD), değişken hız kısıtı (DHK) ve rota yönlendirme (RY) bulunmaktadır. Bu denetim yöntemleri ile yol kapasitesinin daha etkin ve verimli kullanımı hedeflenmektedir. Katılım denetimi, katılım kesimleri aracılığıyla, ana akımla birleşmeyi hedefleyen trafik akımlarını denetlemeyi ve bu akımları kontrollü geciktirerek, trafik akım hacmi daha büyük olan ana akımdaki trafik akımlarını belirli bir eşik yoğunluğun altında tutmayı hedefler. Buna bağlı olarak ortalama hızın yüksek kalmasını ve daha kararlı bir trafik akımı elde etmeyi amaçlar. Bir diğer AUS sistemi olan, değişken hız kıstı (DHK) uygulaması ise ana akımda seyreden taşıtların hızlarını düşürerek akımda homojenliği sağlamayı, bu yolla tıkanıklık oluşumunu geciktirmeyi ve/veya önlemeyi amaçlamaktadır. Bazı çalışmalarda ise, DHK uygulamaları, KD uygulamaları ile bütünleşik bir yapıda kullanılarak, her iki yöntemin avantajlarını birleştirmeyi hedeflemiş ve daha yüksek bir etkin kapasite kullanımı hedeflemiştir. Bu tarz uygulamaların, karayolları özelinde uygulanması oldukça önemlidir. Fakat, bu uygulamalardan önce, bu yöntemlerin kapsamlı şekilde ele alınması, gerekli algoritmaların oluşturulması, metot kaynaklı eksikliklerin giderilmesi ve faydalarının ölçülmesi gereklidir. Benzetim temelli yaklaşımlar bu bağlamda öne çıkmaktadır. Özellikle, günümüz gelişen araç teknolojisinin bir ürünü olan ve çeşitli seviyelerde tanımlanan sürücüsüz araçların hayatımıza gireceği öngörüsü ile, bu benzetim temelli çerçevelerin güncellenmesi ve fiziksel kapasite arttırımı öncesinde, AUS ve denetim uygulamaları ile mevcut kapasitenin daha etkin kullanımı, sürücüsüz araçların bu etkin kapasiteye yapacağı etkilerin incelenmesi gerekmektedir. Sunulan bu tez kapsamında, sürücüsüz araçların trafik akım dinamiklerini ve otoyolların trafik kapasitesine etkilerini irdelemeye yönelik bir modelleme, denetim ve irdeleme çerçevesi kurgulanmıştır. Literatürdeki benzer çalışmalara kıyasla, bu çalışmanın özgün yanı, trafik akım başarımına dair yapılan irdelemelerde, oyun teorisi temelli bir karşılaştırma sunmuş olmasıdır. Oyun teorisi, bireylerin veya grupların stratejik etkileşimlerini analiz etmek için kullanılan matematiksel bir çerçevedir. Her oyuncunun, diğer oyuncuların olası eylemlerini dikkate alarak kendi çıkarlarını eniyilemeye çalıştığı durumları inceler. Bu analiz, oyuncuların olası stratejilerini ve bu stratejilerin olası sonuçlarını değerlendirerek, oyuncuların en rasyonel kararlarını tahmin etmeyi amaçlar. Oyun teorisi, ekonomi, politika, sosyoloji, psikoloji ve hatta biyoloji gibi birçok alanda karar verme süreçlerini anlamak ve modellemek için kullanılır. Bu bağlamda, tez kapsamında tanımlanan oyun üzerinden, bir irdeleme yapılmıştır. Sunulan çerçeve, ince boyutlu benzetim üzerinden, gerçek ağ ve gerçek talep verisi üzerinden kurulan model ile sınanmıştır. Bu çalışma kapsamında, İstanbul'daki D-100 otoyolunun Zincirlikuyu'dan Halıcıoğlu'na kadar uzanan yaklaşık 5 kilometrelik bir kesiminde irdeleme yapılmıştır. İlgili benzetim modeline literatürde sıkça kullanılan katılım denetimi ve değişken hız sınırı algoritmaları bütünleştirilmiştir. Çalışmada, katılım denetimi için Asservissement Linéaire d'Entrée Autoroutièr (ALINEA) algoritması kullanılmıştır. ALINEA, kapalı döngüye sahip lokal bir katılım denetimi algoritmasıdır. Bu algoritma, MATrix LABoratory (MATLAB) üzerinden Bileşen Nesne Modeli (İng. Component Object Model) arayüzü aracılığıyla ince boyutlu benzetim yazılımına bütünleştirilerek, üç katılım bölgesine uygulanmıştır. Değişken hız sınırı çalışması için ise literatürde sıkça kullanılan bir algoritma benzetim modeline bütünleştirilmiştir. Katılım denetimi ve değişken hız sınırının birlikte bütünleşik olarak uygulandığı H∞ denetçisi temelli bir algoritma da üçüncü denetim senaryosu olarak seçilmiş olup, denetimsiz senaryo ile birlikte dört farklı temel senaryo üzerinden çalışma yürütülmüştür. Bu denetim senaryolarının her birinde, sürücüsüz araçların ve insan sürücülü araçların yüzdeleri kademeli olarak değiştirilmiş ve karma trafik koşulunda, bu yüzdelerin trafik akımı üzerindeki etkileri incelenmiştir. Her bir kontrol yönteminde, sürücüsüz araç yüzdesinin kademeli olarak arttırıldığı 11 farklı senaryo oluşturulmuş ve elde edilen sonuçlar, denetimsiz senaryoların sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Bulgular, çeşitli başarım ölçütleri üzerinden irdelenmiş olup, son olarak oyun teorisi temelli irdeleme ile yeni bir başarım ölçütü karşılaştırma yöntemi tez kapsamında önerilmiştir. Bu çalışma sonucunda elde edilen bulgular, iki ana başlık altında toplanmıştır. İlk başlık, trafik akım performansı temelli analizlere odaklanmaktadır. Bu analizde denetimin olmadığı senaryo, katılım denetimi, değişken hız kısıtı ve bu iki denetimin bütünleşik bir şekilde kullanıldığı H∞ temelli senaryolar için, trafik akımındaki insan sürücülü ve sürücüsüz araçların yüzdelerindeki değişimlere göre, toplam çıkan araç sayısı, toplam seyahat süresi ve araçlar tarafından salınan kirletici kütleleri üzerinden bir irdeleme yapılmıştır. Yukarıda bahsi geçen denetimli ve denetimsiz senaryolar için sürücüsüz araç yüzdelerinin kritik değerleri belirlenmiş ve denetimli senaryolar denetimsiz senaryo ile kıyaslanarak, karma trafik durumu için bu denetim senaryolarının etkinliği irdelenmiştir. Bulguların incelendiği diğer başlık, oyun teorisi temelli bir analizdir. Bu analizde, öncelikle oyuncular tanımlanmış ve oyun, iki oyuncu üzerinden kurgulanmıştır. Tanımlanan bu oyuncular, ana akımda seyreden araçlar ile katılım noktalarından otoyola giriş yapan araçlardır. Oluşturulan alt senaryolarda, yukarıda bahsedilen dört faklı denetim senaryosu dikkate alınarak, iki oyunculu sistemde oyunculardan birinin tamamen sürücülü araçlardan oluştuğu varsayılmıştır. Diğer oyuncuda ise, sürücüsüz araçların oranı kademeli olarak 0%'dan 100%'e kadar artırılarak, karma trafikte sürücüsüz araçların etkisi detaylı bir şekilde incelenmiştir. Bu bağlamda, sürücüsüz araçların trafik akışı üzerindeki etkisi, araç başına düşen gecikme üzerinden analiz edilmiştir. Bu yaklaşım, sürücüsüz araçların trafik performansı üzerindeki potansiyel fayda ve olası dezavantajlarını değerlendirmeye olanak tanımaktadır. Tez kapsamında birinci bölümde çalışmanın amacı ve içeriği anlatılmıştır. İkinci bölümde otoyol trafik akımının temelleri detaylıca açıklanmıştır. Üçüncü bölümde otoyol trafik denetimi ile ilgili literatür incelemesi yapılmıştır. Dördüncü bölümde çalışma anlatılmış, modelleme ve kalibrasyon aşamaları açıklanmıştır. Beşinci bölümde yukarıda bahsi geçen iki başlık altında sonuçlar toplanmış ve irdelenmiştir. Altıncı bölümde ise çalışma bulguları özetlenmiş ve gelecek çalışmalara önerilerde bulunulmuştur.
Özet (Çeviri)
Freeways are designed to meet high transportation demands at high service levels. According to the Highway Capacity Manual (HCM), freeways are fully access-controlled, divided roads with at least two lanes in each direction. Throughout their service life, freeways encounter both recurrent and non-recurrent congestion. Recurrent congestion, as the name suggests, occurs regularly and has predictable causes. Non-recurrent congestion, on the other hand, does not occur repeatedly in the same place or time and is not predictable. An example of non-recurrent congestion is when lanes become unusable due to an accident on the road. Recurrent congestion, on the other hand, can be exemplified by traffic congestion caused by increased demand during peak hours. Modern transportation and traffic engineering approaches aim to enhance capacity not through new investments, but by adopting Intelligent Transportation Systems (ITS), traffic management, and traffic control methods to ensure more efficient and effective use of existing capacity. Under the ITS framework, various control methods have been developed to combat highway congestion. These methods include ramp metering (RM), variable speed limits (VSL), and route guidance (RG). These control strategies aim to optimize and improve the utilization of road capacity. Ramp metering aims to control traffic flows merging with the main stream via on-ramps, by delaying these merging flows in a controlled manner, thereby maintaining the density of the main stream below a certain threshold. This approach seeks to keep average speeds high and achieve a more stable traffic flow. Another ITS system, the variable speed limit application, aims to enhance flow homogeneity by reducing the speeds of vehicles in the main stream, thus delaying or preventing congestion. In some studies, variable speed limit has been integrated with ramp metering to combine the advantages of both methods, targeting more efficient use of capacity. In this thesis, a framework for modeling, control, and analysis has been developed to investigate the effects of autonomous vehicles on traffic flow dynamics and freeway capacity. Compared to similar studies in the literature, the unique aspect of this work lies in its game theory-based comparison for evaluating traffic flow performance. Game theory is a mathematical framework used to analyze strategic interactions between individuals or groups, where each player aims to optimize their own outcomes by considering the potential actions of others. This analysis evaluates possible strategies and their outcomes to predict the most rational decisions players might make. Game theory is widely used in fields such as economics, politics, sociology, psychology, and even biology to understand and model decision-making processes. In this context, an analysis based on the game defined within the thesis has been conducted. The proposed framework was tested using microscopic simulation, based on a model developed using real network and demand data. This study examined a 5-kilometer section of the D-100 freeway in Istanbul, extending from Zincirlikuyu to Halıcıoğlu. Ramp metering and variable speed limit algorithms, commonly used in the literature, were integrated into the simulation model. In the study, the Asservissement Linéaire d'Entrée Autoroutièr (ALINEA) algorithm was used for ramp metering. ALINEA is a local ramp metering algorithm with a closed-loop structure. This algorithm was integrated into a microscopic simulation software via the Component Object Model (COM) interface of the MATrix LABoratory (MATLAB) environment and applied to three ramp metering sections. For the variable speed limit control, a commonly used algorithm from the literature was also integrated into the simulation model. Additionally, an H∞ controller-based algorithm, which applies both ramp metering and variable speed limit control in an integrated manner, was selected as the third control scenario. Along with the uncontrolled scenario, a total of four primary scenarios were evaluated in the study. In each control scenario, the percentages of autonomous and human-driven vehicles were gradually adjusted, and the effects of these percentages on traffic flow under mixed traffic conditions were analyzed. For each control method, 11 different scenarios were created by gradually increasing the percentage of autonomous vehicles, and the results were compared to those of the uncontrolled scenarios. The findings were analyzed using various performance metrics, and, finally, a new performance comparison method based on game theory was proposed within the scope of the thesis. The findings obtained from this study are organized under two main headings. The first heading focuses on traffic flow performance-based analyses. In this analysis, the scenario without control, ramp metering, variable speed limit, and the integrated control scenario based on the H∞ method were evaluated based on changes in the percentage of human-driven and autonomous vehicles in the traffic flow. The evaluation was conducted using metrics such as total vehicle throughput, total travel time, and the mass of pollutants emitted by the vehicles. For both the controlled and uncontrolled scenarios mentioned above, the critical percentages of autonomous vehicles were determined. The effectiveness of these control scenarios in mixed traffic conditions was assessed by comparing the controlled scenarios to the uncontrolled scenario. The other focus of the findings is a game theory-based analysis. In this analysis, the players were first defined, and the game was structured around two players. These players are the vehicles traveling in the main traffic flow and the vehicles entering the highway from on-ramps. In the sub-scenarios created, the four different control scenarios mentioned above were considered. In this two-player game, it was assumed that one of the players consisted entirely of human-driven vehicles. For the other player, the proportion of autonomous vehicles was gradually increased from 0% to 100%, allowing for a detailed investigation of the impact of autonomous vehicles in mixed traffic. In this context, the effect of autonomous vehicles on traffic flow was analyzed based on delay per vehicle.
Benzer Tezler
- Siber uzay çağında mimari potansiyeller: Dijital oyunlar üzerinden bir takım güncelleştirmeler
Architectural potentials in the cyberspace era: Updates through digital games
YILMAZ BERKAY DEMİR
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NURBİN PAKER KAHVECİOĞLU
- Toplu pazarlık uygulamalarına oyun teoriksel bir yaklaşım (Türkiye'de cam sektörü örneği)
A game theoretical approach to collective bargaining (Glass sector in Turkey)
KEREM ÇOLAK
- Mekansal hazlar ansiklopedisi: Mimarlık bilgisi için bir alet kutusu
Encyclopedia of spatial pleasures: A toolbox for the knowledge of architecture
OĞUL CAN ÖZTUNÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SIDIKA ASLIHAN ŞENEL
- Temel tasarım eğitiminde bilgisayar oyunu tabanlı bir model
Computer game based model in basic design education
EMİRHAN COŞKUN
- Takım çalışması esaslı demontaj hattı işgören atama ve dengeleme problemi için oyun teorisi odaklı yaklaşımlar
Game theory-oriented approaches for multi-manned disassembly line worker assignment and balancing problem
YILDIZ KÖSE
Doktora
Türkçe
2023
Endüstri ve Endüstri Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiEndüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EMRE ÇEVİKCAN
DR. ÖĞR. ÜYESİ SİNAN ERTEMEL